基于智能算法的結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)可靠性作為衡量結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，越來(lái)越受到工程界的高度重視。結(jié)構(gòu)可靠性是一門(mén)綜合性的工程學(xué)科，主要包括可靠性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、使用和控制。可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)可靠性活動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它從根本上決定了結(jié)構(gòu)的可靠性程度和使用壽命。結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是將可靠性分析方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)完美地結(jié)合在一起，將結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)作為約束條件或追求的目標(biāo)，從而得到最佳設(shè)計(jì)變量的一種計(jì)算方法。結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有著比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方

2、法更為合理的設(shè)計(jì)理念和模型，工程實(shí)際應(yīng)用也證明了該方法可以顯著提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)固有可靠性，并獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。因此，目前對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極探索的重要領(lǐng)域之一。
　　 支持向量機(jī)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則提出的一種利用最優(yōu)化方法解決機(jī)器學(xué)習(xí)問(wèn)題的方法。它在解決小樣本學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)、非線(xiàn)性及高維模式識(shí)別問(wèn)題中具有突出的優(yōu)勢(shì)。粒子群算法模擬鳥(niǎo)群飛行覓食行為，通過(guò)鳥(niǎo)之間的集體協(xié)作使群體達(dá)到

3、最優(yōu)。該算法簡(jiǎn)潔且易于實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)置的參數(shù)較少。粒子群算法是非線(xiàn)性連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題、組合優(yōu)化問(wèn)題和整數(shù)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題的有效優(yōu)化工具。因此，本論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175442)，利用支持向量機(jī)理論、粒子群算法及其改進(jìn)算法和結(jié)構(gòu)可靠性模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 針對(duì)具有隱式極限狀態(tài)方程的結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合支持向量機(jī)理論和改進(jìn)一次二階矩法，提出了一種基于支持向量機(jī)回歸的結(jié)構(gòu)概率可靠性分析方法。通過(guò)一個(gè)數(shù)值算例和兩

4、個(gè)實(shí)際結(jié)構(gòu)算例驗(yàn)證了支持向量機(jī)模型的預(yù)測(cè)精度，證明了該方法的可行性、計(jì)算精度和較高的工程實(shí)用價(jià)值。結(jié)合區(qū)間分析方法和支持向量機(jī)理論，本文發(fā)展了一種基于支持向量機(jī)的隱式結(jié)構(gòu)非概率可靠性分析方法。該方法是一種優(yōu)化迭代算法，構(gòu)造出合適的迭代流程就可以計(jì)算得到高精度的非概率可靠性指標(biāo)。本文還通過(guò)四個(gè)算例驗(yàn)證了該方法的可行性、正確性和高精度。因此，該方法對(duì)其它不確定性結(jié)構(gòu)的非概率可靠性分析具有一定的參考價(jià)值。
　　 針對(duì)基本粒子群算法容易

5、早熟的問(wèn)題，充分利用基本粒子群算法的全局搜索能力和混沌優(yōu)化的局部搜索能力，將混沌粒子群算法和支持向量機(jī)理論融入結(jié)構(gòu)概率可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)理論中，提出基于混沌粒子群算法的結(jié)構(gòu)概率可靠性?xún)?yōu)化方法，并對(duì)某平面剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程為隱式時(shí)，利用基于支持向量機(jī)的結(jié)構(gòu)概率可靠性分析方法對(duì)某平面桁架進(jìn)行概率可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。兩個(gè)算例優(yōu)化結(jié)果均表明，利用該方法得到的優(yōu)化結(jié)果優(yōu)于基本粒子群算法、最佳矢量型法和罰函數(shù)法。該方法具有全局收斂且

6、精度高的特性，適用于較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的概率可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值和較強(qiáng)的探索開(kāi)發(fā)能力。
　　 利用凸模型方法進(jìn)行顯式結(jié)構(gòu)非概率可靠性指標(biāo)的計(jì)算，結(jié)合區(qū)間分析方法和支持向量機(jī)回歸理論進(jìn)行隱式結(jié)構(gòu)非概率可靠性指標(biāo)的計(jì)算，提出了基于模擬退火粒子群算法的結(jié)構(gòu)非概率可靠性?xún)?yōu)化方法，并對(duì)兩個(gè)平面桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非概率可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。兩個(gè)算例證明了該方法具有全局優(yōu)化能力和較強(qiáng)的概率突跳能力，能高效快速地找到全局最優(yōu)解，其優(yōu)化結(jié)果顯著優(yōu)

7、于基本粒子群算法和罰函數(shù)法。
　　 利用支持向量機(jī)和混合可靠性模型，提出了隱式結(jié)構(gòu)混合可靠性分析方法。本文通過(guò)對(duì)懸臂梁和平面桁架結(jié)構(gòu)的混合可靠性分析，驗(yàn)證了該方法的正確性和精度，證明了當(dāng)結(jié)構(gòu)同時(shí)含有概率參數(shù)和非概率參數(shù)時(shí)，仍采用概率可靠性模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果具有一定風(fēng)險(xiǎn)性。針對(duì)多失效模式結(jié)構(gòu)，提出了多失效模式結(jié)構(gòu)的混合可靠性分析方法。利用該方法進(jìn)行隱式和顯式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的混合可靠性分析，所得的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)混合可靠性指標(biāo)為一個(gè)區(qū)間值。本

8、文結(jié)合智能單粒子優(yōu)化算法和結(jié)構(gòu)混合可靠性分析方法，提出了基于智能單粒子優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)混合可靠性?xún)?yōu)化方法。研究結(jié)果表明，智能單粒子優(yōu)化算法的優(yōu)化性能較混沌粒子群算法和模擬退火粒子群算法有一定的改善，其解更接近全局最優(yōu)解。
　　 本文利用支持向量機(jī)和三種改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要解決了隱式結(jié)構(gòu)概率及非概率可靠性分析及優(yōu)化，混合結(jié)構(gòu)可靠性分析及優(yōu)化等問(wèn)題。本文所提方法具有較高的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值，并為后續(xù)的